激光熔覆成形技术的研究进展
宋建丽,李永堂,邓琦林,胡德金
机 械 工 程 学 报
摘要：激光熔覆成形技术是近年来发展起来的一种新型的先进制造技术。该技术将激光熔覆表面强化技术和快速原型制造技术相结合，具有成形零件复杂、结构优化、组织性能优良、加工材料范围广泛、柔性化程度高、能实现梯度功能和无模近终成形等独特优点，可广泛应用于复杂零件的直接制造和修复，具有广阔的应用前景。介绍激光熔覆成形技术的原理、特点和应用，从几种典型激光熔覆成形系统、成形零件组织性能研究、温度场数值模拟、成形过程检测与控制和成形过程残余应力和裂纹产生的原因及对策等方面对激光熔覆成形技术的研究进展进行综述，指出该技术存在的问题，并对其发展方向进行预测和展望。激光熔覆成形技术在硬件系统、工艺研究和熔池检测与控制等方面都取得了可喜的进步，但成形精度和裂纹仍然是该技术领域非常棘手的问题，有待进一步突破。
关键词：激光熔覆成形 无模制造 金属粉末 全密度 热喷涂 0 前言
激光熔覆成形(Laser cladding forming, LCF)技术集激光技术、计算机技术、数控技术、传感器技术及材料加工技术于一体，是一门多学科交叉的边缘学科和新兴的先进制造技术。该技术把快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合，利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和粉末喷嘴输送到熔池的金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，快速凝固后与基体形成冶金结合，根据零件的计算机辅助设计(Computer aided design,CAD)模型，逐线、逐层堆积材料，直接生成三维近终形金属零件。激光熔覆成形系统主要由计算机、粉末输送系统、激光器和数控工作台四部分组成，其原理如图 1 所示。由于该技术可以直接制造全密度金属零件，从 20 世纪 90 年代中期开始，就成为快速成形领域的研究热点和发展方向，具有广阔的应用前景。激光熔覆成形技术在产生后的短短几年内获得了飞速发展，并被冠以不同的名称：如送粉方式的激光工程化近成形(Laser dngineered net shaping, LENSTM)[1-2]、直接光制造技术(Directed light fabrication, DLF)[3-4]、直接金属沉积(Directmetal deposition, DMD)[5-6]、堆积成形制造(Shape deposition manufacturing, SDM)[7]，激光固结(Laser consolidation, LC)[8]，激光增材制造(Laser additive manufacturing, LAMSM)[9]，以及粉末预置方式的选择性激光熔化(Selective laser melting, SLM)[10]和金属直接激光烧结(Direct laser sintering of metals,DSM)等[11]，这些技术的原理和加工方法基本相同，将它们统称为激光熔覆成形技术。
1 激光熔覆成形的特点和应用
和传统的材料成形方法相比，激光熔覆成形技术具有成形零件复杂、结构优化、性能优良、加工材料范围广泛，可实现梯度功能、柔性化程度高、制造周期短、可实现无模近终成形等独特优点，在材料利用率、研制周期和总的制造成本方面均优于铸造和锻造技术，是一种优质、节材、低成本、无污染的先进制造技术[12-14]。
激光熔覆成形技术采用逐层叠加的制造方法,可成形具有复杂内腔和悬臂特征的零件而无需支撑，零件的结构得到优化。如用该方法成形注塑模具时，模具内部的冷却管道可沿着型芯和型腔的轮廓制造，极大地提高了冷却效率，模具特定区域的快速冷却还可减小零件变形，零件生产周期缩短约20%，降低成本，提高制件精度[15-16]。图 2 所示为密执安大学成形的 H13 钢剪切模和注塑模。
激光熔覆成形快速凝固的特点，使得材料内部组织细小，综合力学性能得到提高，可达到甚至超过传统铸造和锻造方法成形零件的性能[1,12-14]。下表所示为几种合金激光熔覆成形和锻造成形的室温力学性能比较[1]，可以看出，激光熔覆成形 316SS不锈钢的延展性与锻造态相近，而屈服强度达到锻造件的 2 倍。
激光熔覆成形技术还可用来加工难熔金属、高温合金和金属间化合物等难加工材料，如钨、铼、铌、钼、钛铝和镍铝等金属间化合物和超合金材料。Ti-6Al-4V 等材料和带翼肋的整体性补强飞机结构件，若采用锻造和机加工来生产，交货时间长达 1～2 年，材料利用率低于 5%，若采用激光熔覆成形加工，不仅可减少贵重材料的浪费和工具消耗，还可降低库存和制造时间，降低成本 20%～30%，交货时间缩短 75%，零件性能达到或超过铸造和锻造材料标准。
激光熔覆成形过程可实现零件的无模近终成形，成形过程不产生废水、废气，无边角料和未熔的金属粉末可以回收再利用，相对于传统的切削加工而言，大大减少了材料的浪费，产品研制周期短，柔性化程度高，尤其适合单件小批量复杂形状的快速制造[17]。特别是采用自动送粉加工时，通过精确控制不同料斗的送粉速率，可在零件任意部位获得所需成分和性能，进行梯度功能材料(Functional gradient materials, FGM)制造，而使不同部位具有不同的耐磨、耐蚀、抗疲劳等性能，这是传统的铸造和锻造技术所无法实现的[ 5,12,16]。图 3 所示为 Sandia国家实验室及加拿大国家研究委员会集成制造技术研究所用激光熔覆成形技术制造的复杂和梯度零件[6]。
激光熔覆成形使用高功率激光进行加工，能量密度集中，加工时基体的变形和热影响区小、熔覆材料和基体可以形成冶金结合，且能进行难加工材料的成形。因此，该技术为复杂昂贵零件的修复提供了一条崭新的途径，已经被应用于航空发动机叶片、汽轮机叶片、叶轮，石化行业定子、转子、核阀零件和模具等关键零部件的修复和翻新[18-19]。还可以修复定向凝固单晶超合金叶片，大大降低修复成本而不降低母材性能，零件表面耐磨、耐蚀性等甚至有所提高。图 4 为沈阳大陆集团利用该技术维修的压缩机螺杆。
2 激光熔覆成形技术的研究进展
2.1 激光熔覆成形技术的发展
在激光熔覆成形技术的研究方面，美国的 LosAlamos 国家实验室、Sandia 国家实验室、密执安(Michigan)大学和 AeroMet 公司等的工作较具代表性[3-8, 17]。
20 世纪 90 年代中期，美国 Sandia 国家实验室在美国能源部资助下与 United Technologies Pratt &Whitney (UTPW)公司的合作研发项目中，开发了激光近形制造技术(LENSTM)，LENS 系统主要由四部分构成：高功率 Nd:YAG 固体激光器、可控气氛手套箱、三轴数控工作台和送粉系统。整个加工过程均在处于惰性气氛保护下的手套箱中进行，激光束通过手套箱顶部的窗口引入沉积部位[14]。他们对多种材料的激光熔覆成形工艺进行了研究，制造了镍基超合金、H13 工具钢、不锈钢以及钛合金等零件，成形件性能相对于锻造件在强度和塑性方面均有显著提高。零件的加工精度在 x、y 方向已达到0.05 mm，z 方向精度为 0.38 mm。通过逐渐改变粉末的成分，可使零件的不同部位具有不同的成分和性能，实现零件的梯度功能制造[17, 20]。Optomec 公司为 Sandia 提供小批量零件，并致力于 LENSTM技术的商业化。Sandia 还和 3M、Honeywell、NASA以及 Ford 等合作，将 LENSTM技术集成于其零件的制造过程，以缩短制造周期、降低成本，提高零件的性能[21]。
Los Alamos 国家实验室开发的 DLF 系统采用2 kW Nd:YAG 激光器和五轴数控工作台，在充满氩气的不锈钢手套箱中进行，氧气和水的质量分数小于 0.005‰。系统带有粉末回收装置，未熔化的粉末可回收再利用[3]，可以输送四种不同的粉末实现悬臂零件和功能梯度材料的制造，零件表面粗糙度达到 10 μm，精度达±0.12 mm。
AeroMet 公司开发了 LasformSM工艺，进行航空钛合金的激光熔覆成形制造和零件修复。该系统内装有自动反馈控制传感器，工作台定位精度为±0.007 62 cm(3/1 000 in)，可加工长度 243.84 cm(8ft)、质量为 272.154 kg(600 b)的飞机原型[9]。该公司的制造速率较高，其单层沉积厚度达到 4 mm，单道沉积宽度达到 13 mm，可进行较大体积零件的制造，产品达到近终形，且成分和性能己经达到 ASTM标准。图 5 为 AeroMet 公司的 Lasform 工艺系统和采用该技术制造的大型零件，零件最大尺寸已达到2 400 mm×225 mm×100 mm[9]。AeroMet 公司在 2000 年 3 月为波音飞机公司(Boeing Company)制造了 F/A-18 E/F 机翼零件[22]。
其生产的 Ti-6Al-4V 零件 Lockheed-Martin F-22 支架、波音 F/A-18 E/F 机翼连接板和降落连杆零件已达到航空零件的性能要求。这些激光熔覆成形技术加工的钛合金零件不仅疲劳寿命大大超出传统工艺制造的零件，同时该技术节约材料及切削加工费用，零件成本降低 20%～40%，生产周期也缩短80%[17]。
国内在激光熔覆成形技术方面的研究起步较晚，始于 20 世纪 90 年代末，到 2000 年以后才陆续有文献报道。西北工业大学凝固技术国家重点实验室、中国有色金属研究总院、清华大学、北京航空航天大学和上海交通大学等单位相继开展这方面的研究, 内容涉及快速成形组织、理论、工艺、设备、软件和材料等各方面，并取得了阶段性成果。如西北工业大学、中国有色金属研究院和北京航空航天大学已采用不同的合金制成了具有一定形状的激光熔覆成形件，清华大学开发出了应用于激光熔覆成形的同轴送粉系统，并研究了加工过程的闭环控制。西北工业大学在快速成形工艺、快速成形组织的定向凝固及力学性能等方面作了大量的研究工作[17, 23-27]。近几年来，激光熔覆成形技术在国内发展较快，更多的企业、高校和研究机构购置了大功率激光加工设备，并在激光熔覆成形技术的工艺和应用方面开展了研究工作。
2.2 激光熔覆成形技术的研究进展
随着激光技术的进步和测控技术等学科的发展，激光熔覆成形技术在硬件系统和理论研究等方面获得了迅猛发展，促进了其应用范围的不断扩大和成形质量的日益提高。世界各国研究机构开发的各具特色的熔覆成形系统不断完善，激光熔覆成形组织性能研究、熔覆成形送粉器、粉末喷嘴和检测控制系统、激光、粉末和基体的相互作用及成形组织的外延生长以及柱状晶、等轴晶的转变理论等取得了一定的进展。温度场建模与仿真、熔池温度和形状的检测与控制等方面的工作成为该领域的研究热点。
2.2.1 成形组织与性能研究
成形零件的性能由其组织决定，而组织取决于熔覆成形材料、工艺参数、熔池的传热、传质和固液界面的冷却速度等，研究激光熔覆成形组织形成机理与特征对于成形零件性能的控制具有重要意义。
对激光熔覆成形组织的研究主要以试验研究为主。GRIFFITH 等[1-2]采用 LENS 工艺对 316SS、SS304L 不锈钢以及 IN625 和 IN690 镍基超合金和H13 工具钢等多种材料进行了沉积，研究了工艺参数对性能的影响。试验发现，当激光功率低时，组织较为细小；激光功率高时，由于晶粒长大，获得的组织比较粗大[2]。当激光功率低、扫描速度快时，屈服强度和抗拉强度高。因此，可以通过工艺参数的匹配获得所需的性能。LENS 制造的 316SS 不锈钢屈服强度达到锻造材料的 2 倍，断后伸长率接近50%[1]。凝固沿着热流方向，从而导致晶粒的生长方向不一。初始的沉积组织发生重熔和粗化，树枝晶的特征不能完整保留下来。
BROOKS 等[28]对 H13 钢进行了激光熔覆成形，建立了简单的描述H13钢硬度与热历史关系的动力学模型，并结合 LENS 的热数据来估计熔覆层的硬度，单道熔覆层的硬度预测与测量结果吻合较好。DINDA 等[29]研究了 Inconel625 合金激光熔覆成形组织在 800～1 200 ℃的热稳定性。研究发现：柱状晶组织在 1 000 ℃ 以下较为稳定，而在 1 200 ℃ 左右，可见完全再结晶的等轴晶组织。
李延民等[17, 23]研究了侧向送粉激光快速成形工艺参数对成形特征的影响，得出了熔覆层厚度和宽度与激光功率、扫描速度以及能量密度之间的关系，并采用神经网络技术对工艺参数进行了优化。
席明哲等[25]研究了激光功率对激光快速成形 316L薄壁墙组织和性能的影响，得出了零件抗拉强度和伸长率随激光功率的变化趋势，获得了与常规方法制成的零件性能相当的薄壁墙。
HUNT 研究了稳态下等轴晶和柱状晶的生长，建立了柱状晶向等轴晶转化(Columnar-to-equiaxedtransition, CET)的理论模型，同时考虑了形核和长大的影响，得出当等轴晶体积分数 φ<0.66%时，凝固组织为柱状晶，而 φ>49%时为等轴晶，两者之间为柱状晶和等轴晶的混合生长区。G UMANN 等对CMSX-4 激光成形凝固显微组织进行了系统的研究，对单晶基体上外延生长定向凝固组织的形成进行了解释。对于给定成分的合金，合金凝固过程中溶质在界面前沿堆积，分布不均匀，当实际温度低于平衡液相温度时，在生长前沿的有限区域内存在连续的过冷区，发生等轴晶的形核。等轴晶的体积分数取决于温度梯度 G 或凝固速度 v。CET 还取决于形核率 N0和形核过冷度 Tn，N0增加和 Tn的减少有利于等轴晶区域向高的温度梯度和低的凝固速度端移动。在低 v 端，枝晶尖端过冷度很小，形核过冷度起决定性作用，过冷度越小，越易形成等轴晶；在高 v 端，等轴晶的体积分数与形核率密切相关，降低形核率可以稳定柱状晶。因此，通过控制工艺参数，就可以实现对凝固显微组织的控制，在重熔的基体上得到外延生长组织。他们对金属激光成形显微组织和工艺参数的关系进行了深入研究，对 HUNT 的模型进行了修改，建立了组织形成理论模型，得到了局部凝固组织与凝固条件以及凝固条件随工艺参数变化的图谱。
激光熔覆成形过程中熔池固液界面具有极高的温度梯度，在快速凝固条件下，凝固过程偏离平衡，经典凝固理论中许多平衡条件的假设不再适用，须用快速凝固理论对其做出合理解释，激光熔覆成形非平衡快速凝固理论的研究尚须进一步完善。
2.2.2 激光熔覆成形温度场模拟
由于熔池及其周围的温度梯度和冷却速度对理解凝固材料的组织和性能非常重要，熔覆过程的稳定性在很大程度上也取决于熔池尺寸的精确控制，因此对熔池的模拟愈来愈成为人们竞相追逐的研究热点。该领域的研究主要集中于熔池形状和尺寸和温度的数值模拟和有限元模拟等方面。
LONG 等[31]对激光直接沉积多道多层零件温度场和应力场进行了初步模拟，但没有反映出材料特性随温度的变化。VASINONTA 等[32]建立了薄壁墙激光熔覆成形热、机械模型，对 304SS 不锈钢激光熔覆成形熔池的形状和残余应力进行了模拟。研究表明：接近自由边界时，熔池的长度减小，而深度显著增加，自由边界处的温度接近或超过熔化温度。在熔池尺寸增加之前降低激光功率可以对熔池深度的控制。
VASINONTA 等[32]建立了激光熔覆成形薄壁结构的热机械模型，采用两个量纲一的图来描述薄壁高度、激光功率、沉积速度和预热对熔池尺寸和温度梯度的影响。这两个工艺流程图可用于优化形成稳定熔池大小时的工艺参数和过程控制，几何模型如图 6 所示[32]。假定为点热源，采用绝热边界条件，不考虑对流的影响建立有限元模型，并将模拟熔池大小与试验结果进行对比。得到了量纲一的标量熔池长度( l )与标量基体高度( h )和标量熔化温度(mT )的关系以及 z0方向的标量温度梯度(0 T / z)与h 和表面温度标量tT 的关系图。实际的熔池长度随 v 的减小而增大，温度梯度随 v 的减小而减小，残余应力随温度梯度的减小而减少，基体均匀预热可显著降低等效屈服应力，预热对熔池的长度影响不大，在熔覆短的薄壁墙时，应控制激光功率和扫描速度。由于预热引起的熔池尺寸的增加可以通过适当的降低激光功率或增加扫描速度来克服。因此，可采用熔池长度和温度梯度的工艺流程图进行残余应力和熔池长度最优控制[33]。
上述研究通过对激光熔覆热过程的模拟取得，对激光熔覆成形工艺参数的确定和控制具有一定的指导意义。对于同步送粉的三维激光熔覆成形温度场的建模和模拟，成形过程复杂、计算量大，尤其是应力场的三维模型，收敛较为困难，且难以考虑熔池的传质，尚须进一步研究。材料随温度变化的热物性参数仍有待于进一步完善和补充，以反映成形过程的相变。
2.2.3 激光熔覆成形检测与控制
激光熔覆成形质量受许多因素的影响，如激光系统、送粉系统和数控系统等。要提高激光熔覆成形的质量和精度，必须对这些系统参数进行检测和控制。检测系统主要由嵌入式的视觉系统 CCD 摄像机、双色温度传感器和位移传感器等组成，一般采用同轴和侧向两种安装方式对凝固过程和熔池进行检测，同轴安装红外热影像系统如图 7 所示[2]。同轴装置将热成像系统和激光光路结合成为一体，不必在透镜或者送粉喷嘴上安装新的设备，就可以很容易地采用带有特定窄带滤波片的高速数码相机得到零件上熔池和附近区域的热图像。侧向装置的CCD 视频相机通过手套箱前侧的窗口进行拍摄，将所拍到图像转换为温度并分色，以决定熔池附近的温度场。检测到的信号通过传感器反馈给计算机，闭环控制系统通过调整工艺参数对熔覆高度、熔池形状和温度分布等进行控制，从而大大降低后处理成本，提高表面精度，获得所需性能[2, 9]。
HU 等采用安装在激光头上部的 CCD 相机对激光熔覆成形薄壁墙熔池的热行为进行检测和闭环控制，获得熔池的红外影像，并采用近红外滤波片去除图像噪声。根据熔池的形状对激光功率进行调整，可以获得特定温度的熔池宽度，如图 8 所示[2]。
密执安大学的 DMD 闭环反馈控制系统采用采用三个互成 120°的传感器对熔覆高度进行控制，这样可以不受熔覆方向对单个传感器的影响，在送至处理器前，将三个传感器输出的信号合成为一路输出信号。当进行多层熔覆时，高度传感器可以“感知”熔覆层的厚度，使每一处的厚度均匀一致，采用多传感器进行高度控制后，零件表面粗糙度降低14%～20%，制造周期大大缩短，从而降低精加工成本，如图 9 所示[5]。清华大学通过传感器来直接监测金属零件的熔覆高度，通过对送粉量的闭环控制来保证制造过程中熔覆高度的稳定性[25]。斯坦福大学和 Carnegie Mellon 大学开发的 SDM 工艺将分层沉积和 CNC 铣削加工结合起来加工全密度金属零件。每沉积完一层材料后，用 5 轴 CNC 铣床加工至最终尺寸，并采用支撑材料以制造悬臂结构[34]。
2.2.4 激光熔覆成形残余应力与裂纹
裂纹是激光熔覆成形过程中最常见的致命缺陷，裂纹一旦产生和扩展，就会大大降低零件的使用性能，甚至造成零件的报废。裂纹问题已经成为制约激光熔覆成形技术发展的瓶颈。激光熔覆成形裂纹的产生与工艺因素、组织因素和材料因素等密切相关，影响因素众多，控制难度高，其中最直接的原因是熔覆层残余应力，应力的准确分析对认识和控制激光熔覆成形过程裂纹具有重要的意义。熔覆成形过程的残余应力和变形与温度的分布与累积、基体约束、成形材料、工艺参数及路径等密切相关，检测方法主要有全息钻孔法、X 射线衍射和中子衍射等。
AGGARANGSI 在薄壁墙激光熔覆成形时发现，在接近表面处 y 方向(沉积方向)的应力较大，x、z 方向的应力为零，而在熔覆层内部离表面一定距离处，左右两边 z 方向的应力为拉伸应力，中间为压缩应力，认为拉伸应力是热收缩和基体约束综合作用的结果[2]。AI 等[35]的研究表明，加工过程温度分布、瞬态应力和残余应力及零件的变形主要取决于激光加工条件和材料的性能，尤其是热导率和热膨胀系数。NICKEL 等[36]发现材料熔覆方法和熔覆路径对熔覆翘曲变形影响很大。通过预热和缓冷方法能够限制残余应力引起的翘曲变形。
GRIFFITH 等[1]采用全息钻孔法测试研究了成形高度达 114 mm 的 H13 工具钢薄板件靠近基材处的两向残余应力。结果表明：平行扫描方向残余应力以拉为主，垂直扫描方向残余应力以压应力为主，残余应力数值约为材料屈服强度的 20%。在开始熔覆阶段，拉应力数值逐渐增大，主要是由于随着热量的不断输入，应力累积效应增大，但其数值与材料屈服强度相比仍比较小。当沉积到一定高度后，两向残余应力数值开始有所回落，逐渐稳定下来，表现为低的拉应力，说明熔覆过程趋于平衡，残余应力基本保持不变。并预测 H13 工具钢复杂结构中的残余应力整体较低[1]。材料微观组织的变化引起的相变应力能够使残余应力增高。
LABUDOVIC 等[37]在进行 MONEL400 合金的激光多层熔覆时发现，随着熔覆层数的增加出现与扫描速度垂直和平行的裂纹，这主要是由于连续搭接熔覆时残余应力逐步递增的结果，得出试样的预热和后续热处理释放应力可以防止裂纹的产生。
从国外激光熔覆成形的情况来看，显然他们对裂纹的控制是比较成功的。但是，由于该技术目前主要面向航空航天等军事领域，技术保密程度高，相关的研究报道很少。国内在这方面的研究也处于起步阶段，对熔覆层裂纹的研究也大都集中于激光熔覆表面强化方面。
钟敏霖等[38]对NiCrSiB合金在高功率激光熔覆下的裂纹现象和行为进行了试验研究。发现NiCrSiB 合金对裂纹非常敏感，往往出现大量横向宏观裂纹，裂纹主要起源于熔覆层与基体的交界面，裂纹通常向熔覆层扩展而穿过整个熔覆层，多道搭接时，裂纹会向前道和后道横向传递。裂纹的产生与熔覆材料自身的物理特性及凝固特性和凝固组织有关。
陈静等[39]采用微观测试分析方法，研究了不锈钢激光快速成形过程中熔覆层的开裂行为及裂纹形成机理。研究结果表明，熔覆层的开裂属于热裂纹范畴，裂纹产生的主要原因是由于凝固温度区间内晶界处的残余液相受熔覆层中的热应力作用所导致的液膜分离的结果。
宋建丽等[40-42]从熔覆材料与基体材料的合理选择与匹配、基体预热、优化工艺参数、熔覆过程引入超声振动及添加稀土元素等方面着手，降低熔覆层温度梯度、改善组织、降低残余应力，对熔覆成形过程裂纹加以控制。李延民等[17]从金相分析和试验研究的角度对激光熔覆成形裂纹的产生原因进行了分析，认为裂纹主要是熔覆组织在凝固过程及后续熔覆时晶界处的残余液相受熔覆层中的热应力作用所导致的液膜分离引起的，并从工艺上对裂纹形成的影响因素进行了初步研究，得出中等光斑、低功率、小的粉末送进量，中等扫描速度和适当预热和后续热处理能够有效减小开裂倾向。同时采用人工神经网络技术对工艺参数进行了优化，获得了具有较复杂外形、内部无缺陷的 316L 不锈钢激光快速成形件。
激光熔覆成形和激光熔覆表面强化技术有许多相似之处，裂纹产生的机理有也大致相同，激光熔覆表面强化中许多裂纹的防止方法也可用于激光熔覆成形。但是，由于激光熔覆成形是多层激光熔覆，二者仍有许多不同之处。因此，激光熔覆成形中裂纹的控制方法亦有所区别。还须从开裂机理出发，开发行之有效的裂纹控制方法，促进该技术的进一步发展和工业化应用。
3 激光熔覆成形技术存在的问题和发展方向
经过十几年来各国研究者的不懈努力，激光熔覆成形技术已经获得了长足的进步，积累了很多成功的经验。但是，要使该技术真正在工业上获得广泛应用，还须对以下几个方面进行深入研究[17, 23]。
(1) 成形理论研究须进一步深化。现有的激光熔覆理论模型多是借助于激光熔覆表面强化，而对于三维同步送粉激光熔覆成形这样的复杂过程，模型通常做了大量的简化，不能全面考虑熔池的传热、传质及材料的热物性变化，影响了计算的准确性。该技术所涉及的快速凝固方面的理论还不够完善，激光熔覆成形组织形成规律及组织性能控制等还没有完善的理论做指导，这方面的研究还须进一步深化和系统化。
(2) 成形效率、质量和裂纹控制。目前，激光熔覆成形的堆积速度较低，约为 0.1～4.1 cm3/min，成形质量和精度还处于较低的水平，所制造的零件大多属于近形件，仍须进行最终的机加工方能使用[17]。另外，裂纹是激光熔覆成形过程中最为致命的缺陷，裂纹的控制问题是激光熔覆成形中最棘手的问题，要大力发展激光熔覆成形技术，推进其工业化进程，裂纹控制问题亟待解决。
(3) 设计、开发适合激光熔覆成形的合金材料。目前激光熔覆成形加工所使用的材料大都是热喷涂用的自熔性合金粉末和实用工程材料，这些粉末的成分是针对具体的工艺设计的，且每一层熔覆后上浮的熔渣有可能夹杂在熔覆层中间而成为裂纹源，并不一定适合于激光熔覆成形。因此，有必要寻求和开发适合于激光熔覆成形的合金粉末。
(4) 加强激光熔覆成形在零件修复领域的研究和应用。激光熔覆成形技术可以用来对破损零部件进行形状修复、尺寸修复、功能修复和增强功能修复，提高易损易耗件的使用寿命，推进企业和资源的可持续发展。由于激光熔覆成形技术对材料及零件的针对性极强，工艺研究还不够系统化，加强激光熔覆成形在零件修复领域的研究和应用，必将大大提升传统的制造业，具有广阔的发展应用前景。
4 结论
(1) 激光熔覆成形技术作为一种新兴的先进制造技术，集大功率激光技术、数控技术、测控技术及材料加工技术于一体，是对激光表面强化技术和快速原型制造技术的集成和升华。
(2) 激光熔覆成形技术可实现复杂形状、全密度金属零件的快速制造而无需工模具，具有成形组织细小、成形零件性能优良、仅需少量精加工就能满足使用要求等独特优越性。
(3) 通过成形材料的设计，结合不同的送粉速度，激光熔覆成形技术可在零件不同部位实现梯度功能和智能制造以满足不同的使用要求。
(4) 激光熔覆成形技术在复杂零件制造、航空航天、零件修复、武器和医疗器械制造等领域具有广阔的应用前景。
参 考 文 献略
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